Un Proof of Concept per l’analisi biomeccanica markerless del Countermovement Jump su hardware consumer
Dalla posa video alla stima delle forze di reazione al suolo
Abstract
L’analisi biomeccanica quantitativa del movimento umano si fonda da decenni su sistemi optoelettronici a marker retroriflettenti e pedane di forza calibrate: strumentazione precisa, ma costosa, ingombrante e vincolata al laboratorio. Questa tesi presenta un Proof of Concept di piattaforma markerless per l’acquisizione del Countermovement Jump e la stima delle forze articolari al ginocchio, sviluppata utilizzando esclusivamente due telecamere consumer, un laptop standard e componenti software open-source.
L’indagine è orientata da una domanda operativa: fino a che punto è possibile ridurre il costo e la complessità dell’acquisizione — in termini di hardware, qualità del segnale di ingresso e tempi di calcolo — senza compromettere l’informazione biomeccanica che si può estrarre? Lo studio caratterizza il dominio di funzionamento della piattaforma rispetto alla risoluzione spaziale e al frame rate dei video, e confronta strategie indipendenti di stima della Ground Reaction Force in assenza di pedana di forza, con l’obiettivo di individuare configurazioni economicamente accessibili ma qualitativamente sufficienti per analisi cinematiche e cinetiche.
Le grandezze prodotte — cinematica articolare, profili di forza al suolo, momenti articolari — si collocano nei range riportati dalla letteratura biomeccanica per soggetti non elite. La piattaforma opera offline, su hardware accessibile, ed è accompagnata da un’interfaccia interattiva che la rende utilizzabile anche da non esperti del dominio. Il lavoro non costituisce uno studio di validazione clinica: dimostra la fattibilità di un’analisi biomeccanica end-to-end con strumentazione consumer e ne delimita il dominio operativo, aprendo la strada a studi su larga scala al di fuori dei laboratori specializzati.
Abstract
Quantitative biomechanical analysis of human movement has long relied on optical marker systems and calibrated force platforms: accurate equipment, but expensive, bulky, and confined to the laboratory. This thesis presents a Proof of Concept for a markerless platform that acquires Countermovement Jumps and estimates knee joint forces, using only two consumer cameras, a standard laptop, and open-source software components.
The investigation is driven by an operational question: how far can the cost and complexity of acquisition be reduced — in terms of hardware, input signal quality, and computation time — without compromising the biomechanical information that can be extracted? The study characterises the operating domain of the platform with respect to the spatial resolution and frame rate of the input videos, and compares independent strategies for estimating Ground Reaction Force in the absence of a force platform, with the goal of identifying configurations that are economically accessible yet qualitatively sufficient for kinematic and kinetic analyses.
The quantities produced — joint kinematics, ground force profiles, joint moments — fall within the ranges reported in the biomechanical literature for non-elite subjects. The platform runs offline, on accessible hardware, and is accompanied by an interactive interface that makes it usable also by non-experts in the field. This work does not constitute a clinical validation study: it demonstrates the feasibility of end-to-end biomechanical analysis with consumer-grade equipment and delineates its operational domain, paving the way for large-scale studies outside specialised laboratory settings.